Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Оптическая активность. Искусственная анизотропия1. Оптическая активность. В 1811 году Франсуа Араго, изучая прохождение линейно поляризованного света через кварц, установил, что в ряде случаев плоскость поляризации вышедшего из кварца луча поворачивалась по сравнению с вошедшим на некоторый угол. Способность среды вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через нее света назвали оптической активностью среды. Подробно исследовал оптическую активность Жан Био в 1815 году. Он обнаружил наличие оптической активности помимо твердых тел в растворах (сахар в воде) и в парах некоторых органических веществ. Био установил закон: угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине слоя активного вещества и концентрации этого вещества в растворе. j = [ a ] ∙l∙c Закон Био, 1815 (20.1)
Здесь [ a ] - удельная оптическая активность. В таблице 20.1 с – весовая концентрация, т.е. концентрация растворенного вещества в граммах на 100 г раствора. Все значения удель-ной активности [ a ] приведены при l = 589,3 нм и температуре 293 К в свеже-приготовленных растворах. Для чистых веществ (скипидар, кварц) формула закона Био записывается в виде: j = a∙l. (20.2) Здесь a - удельное вращение на единицу длины. Некоторые вещества оптически активны лишь в кристаллическом состоянии. Например кварц (a = ±21,7 град/мм), соль NaClO3 (a = ±21,2 град/мм). Их оптическая активность есть свойство кристалла в целом и называется структурной. Другие веществ активны в любом агрегатном состоянии. Это значит, что их оптическая активность определяется свойствами отдельных молекул. Направление вращения у разных веществ неодинаково. Если свет, идущий в глаз наблюдателя, поворачивает плоскость колебаний вектора по часовой стрелке, то вещество называют правовращающим (луч «выглядит» как левый винт, a записывают со знаком «+»). Если свет закручивается против часовой стрелки, вещество называют левовращающим (луч – правый винт, a со знаком «–»). Все оптически активные вещества существуют в двух модификациях – правовращающей и левовращающей. 2. Нормальная и аномальная оптическая активность. В первом случае удельное вращение a растет с уменьшением длины волны l по приближенному закону (Био, 1815): Нормальная активность (20.3) В случаях аномальной оптической активности, которая была открыта позднее, удельное вращение примерно пропорционально длине волны: Аномальная активность (20.4) Оба вида оптической активности присущи любому оптически активному веществу. Нормальная оптическая активность наблюдается при l, сильно отличающихся от длины волны l о, при которых в оптически активном веществе происходит резонансное поглощение. Аномальная активность наблюдается при l вблизи l о. 3. Теория оптической активности Френеля. В 1823 году Френель предложил феноменологическую теорию оптической активности. Она состоит в следующем. Линейно поляризованная волна ведет себя в оптически активном веществе так, как если бы она состояла из двух волн, поляризованных по кругу в противоположных направлениях, с одинаковыми частотами и амплитудами (рис.173-а). Если скорости распространения обеих волн не одинаковы, то по мере прохождения света через вещество один из векторов или будет отставать. В результате плоскость колебаний суммарного вектора будет поворачиваться (рис.173-б). Не имея возможности доказать гипотезу теоретически (не было уравнений Максвелла), Френель доказал ее экспериментально. Для этого он сконструировал призму, состоящую из трех призм. Две крайние призмы сделаны из правовращающего кварца, средняя – из левовращающего (рис.174). Оптические оси АА всех призм совпадают с направлением падающего на сложную призму луча. Этот луч, не преломляясь на грани АВ (угол падения 0°), на границе призм АМ расщепляется на два луча, поляризованных по кругу. Луч с правым вращением (на рис.174 внизу) имеет в первой призме меньший показатель преломления n п, чем луч с левым вращением (n л), n п < n л. В левовращающей призме соотношение меняется n п > n л. Поэтому на границе АМ лучи испытывают разное преломление. Правый луч отклоняется к стороне AD, а левый – к стороне ВС. На гранях МD и СD это расхождение еще более усиливается. В результате из призмы выходят два луча, угол между которыми составляет около 4 минут. Исследование с помощью четвертьволновой пластинки показало, что верхний луч поляризован по правому, а нижний – по левому кругу. Таким образом Френель доказал, что при вступлении в оптически активную среду луч света испытывает двойное круговое лучепреломление. Лучи, поляризованные по правому и по левому кругу, идут внутри оптически активной среды с разными фазовыми скоростями. Если падающий свет был линейно поляризован, то при выходе из такой среды эти волны снова слагаются в линейно поляризованную волну с повернутой плоскостью поляризации. 4. Круговой дихроизм состоит в том, что коэффициенты поглощения двух волн, циркулярно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях, различны. В отличие от линейного дихроизма, наблюдающегося в двояко преломляющих кристаллах, круговой дихроизм наблюдается в оптически активных средах. Если линейный дихроизм используется в поляроидах для преобразования естественного света в линейно поляризованный, то круговой дихроизм может использоваться для преобразования естественного света в циркулярно поляризованный. Однако на практике удобнее линейные поляризаторы с четвертьволновыми пластинками. 5. Фотоупругость. Так называется явление возникновения оптической анизотропии под действием механических напряжений. Фотоупругость открыли в 1813 году Томас Зеебек и независимо от него в 1816 году Дейвид Брюстер. Причина фотоупругости состоит в том, что под действием механических напряжений упорядочивается ориентация оптически анизотропных молекул или их частей, а также деформируются электронные оболочки атомов и молекул. В результате однородное в обычных условиях вещество при механических напряжениях приобретает свойства двояко преломляющего кристалла. Для малых одноосных растяжений или сжатий выполняется закон Брюстера: D n = ne – no = Г∙ s Закон Брюстера, 1815 (20.5) Здесь s – нормальное напряжение, Г – упругооптическая постоянная (постоянная Брюстера). Для стекол Г = 10–12÷10–11 м2 ç Н, для целлулоида Г = 10–11÷10–10 м2 ç Н. Схема опыта для излучения фотоупругости такая же, как схема для наблюдения двойного лучепреломления в кристаллах. Она включает в себя источник света S, поляризаторы П1 и П2 и деформируемое тело (рис.175). Обычно плоскости пропускания анализаторов взаимно перпендикулярны и образуют с осью напряжений MN углы 45о. Деформируемое тело приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением деформации MN. Показатель преломления ne соответствует волне, вектор Ее которой колеблется вдоль оси напряжений MN, а показатель nо – волне, вектор Ее которой колеблется поперек оси MN. Разность ne – no может быть положительной и отрицательной в зависимости от материала. Кроме того, она зависит от длины волны l (дисперсия двойного преломления). Поэтому при наблюдении в белом свете при скрещенных поляризаторах деформируемое тело окрашивается в разные цвета. Фотоупругость используется при изучении напряжений в механических конструкциях, расчет которых очень сложен. Исследование сводится к измерению анизотропии, возникающей под действием нагрузок в модели, изготовленной из прозрачного материала, с учетом критериев подобия. 6. Эффект Фарадея. В 1845 году Майкл Фарадей обнаружил поворот плоскости поляризации света в веществах, помещенных в магнитное поле и в обычных условиях не являющихся оптически активными. Это было первое явление, в котором выявилась связь между оптическими и электромагнитными процессами. Схема установки на рис.176. Линейно поляризованный свет, выходящий из поляризатора П1, проходит через отверстие электромагнита и далее через исследуемое тело К так, чтобы направление луча совпадало с направлением магнитных силовых линий. Установив поляризатор П2 на темноту в отсутствии поля, при включении поля можно обнаружить поворот плоскости поляризации. Если наблюдатель смотрит вдоль силовых линий магнитного поля (рис.176), то вращение вправо плоскости поляризации луча, идущего в глаз наблюдателя, считается положительным, влево – отрицательным. Если свет идет перпендикулярно линиям магнитного поля, то образец К ведет себя как одноосный двояко преломляющий кристалл, оптическая ось которого параллельна линиям поля. Опыты самого Фарадея, а затем более точные опыты М. Верде показали, что угол поворота плоскости поляризации пропорционален длине l пути света в веществе и магнитной индукции поля В. j = VBl. Закон Верде, 50 -ые годы 19 века. (20.6)
Коэффициент пропорциональности V называют удельным магнитным вращением или коэффициентом Верде. В таблице 20.2 приведены значения постоянной Верде для некоторых веществ при l = 589 нм. Величина V в таблице соответствует углу поворота плоскости поляризации в угловых минутах на одном сантиметре при индукции поля 1 Тл при температуре 20оС. Углы поворота очень невелики. Вычислим для примера угол j поворота в опытах Фарадея, который использовал в работе стеклянный параллелепипед размером 2´2´0,5 дюймов из боросиликатного крона. Отсюда l = 5 см, V = 1,7∙102 мин/Тл×см. Если допустить, что магнитное поле в опытах Фарадея было умеренным и его индукция В составляла в диэлектрике (в стекле) 0,01 Тл, получаем j = V×l×B = 1,7∙102∙5∙0,01 = 8,5 угловых минут. Но поскольку направление вращения зависит от направления магнитного поля по отношению к направ-лению луча, то эффект можно усилить за счет много-кратного прохождения луча в активной зоне. Эту воз-можность реализовал еще Фарадей, который посеребрил противоположные грани стеклянного образца (рис.177). Заметим, что такой возможности нет в случае естественной оптической активности, поскольку луч поворачивается все время в одну сторону. Отразившись от зеркала, он идет по тому же поляризационному пути и возвращается в исходное состояние. Направление вращения положительно у диамагнетиков и отрицательно у пара-магнетиков. Например, в растворе FeCl3 V = –2,03∙105 мин/Тл×см. 7. Электрооптический эффект Керра. В 1875 году Джон Керр открыл явление двойного лучепреломления в обычно однородном диэлектрике, помещенном в электрическое поле. В результате эффекта Керра жидкость или газ в электрическом поле приобретают свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого направлена вдоль поля. Для наблюдения эффекта Керра естественный монохроматический свет пропускают через поляризатор П1 и направляют в плоский конденсатор, заполненный обычно анизотропным веществом, например, нитробензолом (рис.178). Кювету К с жидкостью и конденсатором называют ячейкой Керра. Если к обкладкам конденсатора не приложено напряжение, то поляризация света, проходящего через вещество ячейки Керра, не меняется. Свет полностью гасится анализатором П2, плоскость пропускания которого перпендикулярна плоскости пропускания поляризатора П1. Если к обкладкам конденсатора приложено напряжение, то заполняющее его вещество приобретает свойства одноосного кристалла. Линейно поляризованная световая волна в ячейке Керра распадается на две волны – обыкновенную и необыкновенную. Плоскость колебаний вектора Ео обыкновенной волны совпадает с полем конденсатора, а вектора Ее необыкновенной волны – перпендикулярна полю. Из-за разной скорости распространения этих волн их фазы на выходе сдвигаются друг относительно друга. В результате из ячейки Керре выходит линейно поляризованная волна, которую можно исследовать с помощью компенсатора Бабине и анализатора П2. Опыт показывает, что величина оптической анизотропии D n = ne – no пропорциональна квадрату напряженно-сти электрического поля в конденсаторе. D n = ne – no = КЕ 2. Закон Керра, 1815 (20.7) Здесь К – постоянная Керра. Чем она больше, тем ярче выражен эффект. В таблице 20.3 приведены значения постоянной Керра К для некоторых жидкостей при температуре 20оС и l =589 нм. Как видно из таблицы, эффект выражен довольно слабо. Например, в кювете с нитробензолом длиной l =0,1 м находится конденсатор, расстояние между пластинами которого 3 мм. К конденсатору приложено напряжение 2500 В. При этих условиях, разность хода D = l∙ D n=l∙K∙E 2 = 0,1∙2,2∙10–18×(2500 ç 3∙10–3)2 = 153 нм. Если в работе используется луч лазера с l = 630 нм, то эта разность хода соответствует четверти длины волны. Ячейка Керра эквивалента в этом случае четвертьволновой пластинке.
Из всех исследованных чистых веществ нитробензол имеет самое большое значение постоянной Керра К. У других веществ оно значительно меньше. Время релаксации ячейки Керра с низкомолекулярным веществом (например, нитробензолом) не превышает 10–11 секунды. Такой промежуток времени достаточен для того, чтобы через ячейку прошло большое число волновых цугов с периодом колебаний порядка 10–14 секунды, но очень мал по сравнению с используемыми в технике интервалами времени. Поэтому ячейка Керра широко используется в качестве практически безынерционного затвора для световых лучей, а также для модуляции светового потока. Теоретически эффект Керра объяснили Поль Ланжевен в 1910 году и Макс Борн в 1916 году как следствие поляризации вещества в электрическом поле. Электрическое поле не только ориентирует молекулы, но и создает в них дипольный момент. В результате действия поля в веществе возникает определенная ориентация частиц и как следствие – оптическая анизотропия. Тепловое движение препятствует ориентации атомов и молекул, поэтому постоянная Керра убывает с ростом температуры. 8. Магнитооптический эффект состоит в возникновении оптической анизотропии в веществах, помещенных в магнитное поле. Впервые этот эффект наблюдал Джон Керр в коллоидных растворах в 1901 году. Подробно его исследовали в 1907-1910 годах Э. Коттон и А. Мутон, поэтому его часто называют эффектом Коттона – Мутона. Эффект Коттона – Мутона наблюдается в веществах с анизотропными молекулами, обладающими постоянным и отличным от нуля магнитным моментом (парамагнетики). В магнитном поле молекулы парамагнетика ориентируются вдоль по силовым линиям поля. В результате вещество становится анизотропным, оптическая ось его направляется вдоль поля. Схема наблюдения эффекта Коттона – Мутона такая же, как схема наблюдения эффекта Керра (рис.188) при условии, что магнитные силовые линии идут так же, как электрические. Анизотропия вещества в магнитооптическом эффекте так же, как и электрооптическом эффекте Керра пропорциональна квадрату поля. ne – no = СВ 2. (20.8) Здесь С – постоянная Коттона – Мутона. Магнитооптический эффект невелик. У нитробензола, например, постоянная С = 6,6×10–9 Тл-2. В магнитном поле с индукцией 2 Тл на пути 10 см возникает разность хода D = l (ne–no) = l×C×B 2 =0,1∙6,6∙10–9∙4 = 2,64 нм. Для желтой линии натрия l = 589 нм это составляет всего 2,64 ç 589» 0,005× l. Поэтому для изучения этого эффекта нужны сильные магнитные поля.
|